[9] Магнитные Материалы (Материалы с сайта Арсеньева), страница 5

Это позволяет создавать магнитодиэлектрики из смеси карбонильного железа и альсифера с необходимой величиной и знаком температурного коэффициента магнитной проницаемости.

На рис. 9. 17 изображены формы сердечников, которые изго­товляют из высокочастотных магнетиков, применяемых в радио­технике.

В табл. 9. 8 приведены основные обобщенные свойства магнитодиэлектриков из карбонильного железа и альсифера. Магнит­ная проницаемость магнитодиэлектриков практически не управ­ляема внешним магнитным полем (см. рис. 9.25).

Верхний предел рабочих температур магнитодиэлектриков в лучшем случае достигает 100—120°С. Относительно недавно раз­работанные магнитодиэлектрики на основе молибденового пермаллоя (обычные пермаллои механически мягкие и плохо размалываются) имеют наибольшую по сравнению с остальными магнитодиэлектриками начальную магнитную проницаемость – до 200-250.

Ферриты

Особенности. Ферриты представляют собой ферримагнитную керамику с незначительной электропроводностью. Общие пред­ставления о явлении ферримагнетизма приведены в п. 9.1.

Большая величина удельного сопротивления ρ, превышающая ρ железа в 10⁶—10¹¹ раз, а следовательно, и относительно незна­чительные потери энергии в области повышенных и высоких час­тот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обес­печивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.

Состав и структура. Ферриты являются двойными окислами железа и двухвалентных (реже—одновалентных) металлов, соот­ветствующими следующей общей формуле:

MeO Fe₂ O₃

где Me—символ двухвалентного металла. Большинство ферритов имеет кубическую кристаллическую решетку, подобную минеральной шпинели MgO Al₂ O₃.

Различные ферриты, как и природный магнитный железняк (магнетит) FeO Fe₂O₃, обладают магнитными свойствами, однако ферриты ZnO Fe₂O₃ и CdO Fe₂O₃ являются немагнитными. Иссле­дования показали, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой материалов и, в част­ности, расположением ионов двухвалентных металлов и железа между ионами кислорода.

На рис. 9.18 показана эле­ментарная ячейка шпинели с, различным расположением катионов. В случае структуры обычной шпинели, когда в центре кислородных тетраэдров расположены ионы Zn²⁺ или Cd²⁺, магнитные свойства отсутствуют. При структуре так называемой обращенной шпинели, когда в центре кис­лородных тетраэдров расположе­ны ионы Fe³⁺, материал имеет магнитные свойства, ферриты, обладающие наиболее ценными магнитными свойствами и нашед­шие техническое применение, представляют собой, как прави­ло, твердые растворы нескольких простейших соединений, в том числе и немагнитных ферритов. Так, например, общая формула одного из широко распространен­ных никель-цинковых ферритов имеет вид

mNiO·Fe₂O₃+ nZnO Fе₂O₃+kFeO Fе₂O₃

где коэффициенты m, п и k опре­деляют количественные соотно­шения компонентов.

Процентный состав компонен­тов играет существенную роль в получении тех или иных маг­нитных свойств материала. На рис. 9.19 в качестве примера по­казана зависимость начальной магнитной проницаемости никель-цинкового феррита от его состава. Как видно из этого рисунка, вы­сокие значения μ_н достигаются в довольно узком участке тройной диаграммы.

Применяющиеся в технике ферриты называют также о к с и ф е р а м и, так как они представ­ляют собой сложные оксидные ферримагнетики. Это более правильно, однако первое название получило широкое распростране­ние. В зарубежной литературе употребляют еще термин «феррокскуб» подчеркивающий кубическое строение решетки этих материалов.

Р
ис. 9.18.Элементарная ячейка шпинели: белые шарики—ионы кислорода; черные-катионы в тетраэдрических положениях; заштрихованные — катионы в октаэдриче-ских положениях

Рис 9.19.Зависимость начальной магнитной проницаемости в системе NiO-ZnO-Fe₂O₃ от состава (температура об­жига 1380°С)

Технология изготовления ферритов оказывает очень существен­ное, влияние на свойства готовых изделий. Процесс производства ферритовых изделий в основном сводится к следующему. Предва­рительно приготовляют ферритовый порошок, состоящий из тонко измельченных и тщательно перемешанных обожженных окислов соответствующих металлов. В него добавляют пластификатор, обычно раствор поливинилового спирта, и из полученной массы прессуют под большим давлением изделия требуемой формы. Затем изделия подвергают обжигу при температуре 1100— 1400°С. При этом происходит их спекание и образование твердых растворов ферритов. Обжиг должен производиться обязательно в окислительной среде (обычно в воздухе). Наличие даже неболь­шого количества водорода в рабочем пространстве печи может вызвать частичное восстановление окислов, что приведет к резко­му увеличению магнитных потерь. Усадка ферритов при обжиге может достигать 20%.

Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами, не поз­воляющими производить обработку резанием и допускающими только шлифовку и полировку.

Ферриты обладают магмитострикцией, причем у различных ферритов этот эффект проявляется по-разному. Так, ферриты с низкой температурой Кюри обладают меньшим магнитострикционным эффектом.

Классификация. По свойствам и применению ферриты можно разделить на следующие группы:

а) магнитномягкие ферриты (Н и ВЧ);

б) ферриты СВЧ;

в) ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ);

г) магнитнотвердые ферриты.

Ввиду особых свойств ферриты ППГ будут рассмотрены в п. 9.4, а магнитнотвердые ферриты—в п. 9.5.

Наиболее распространенная маркировка магнитномягких ферритов следующая. На первом месте стоит численное значение μ_н, затем идут буквы, определяющие частотный диапазон применения, ограничиваемый свер­ху значением граничной частоты f_гp. Под граничной частотой понимают частоту, при которой начинается быстрый рост тангенса угла потерь феррита и он доходит до зна­чения 0,1. (Другим параметром является критическая частота, при которой начальная магнитная проницаемость снижается ло 0,7 От ее значения в постоянном магнитном поле f_кp<f_гp). Ферриты для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот для краткости обозначают буквой Н (низкочастот­ные). Граничная частота их для разных марок может лежать в пределах от 0,1 до 50 МГц. В маркировке высокочастот­ных ферритов имеются буквы ВЧ, гра­ничная частота их 50—600 МГц. Далее в маркировке магнитномягких ферритов следуют буквы, означающие состав мате­риала: М — марганец-цинковый феррит, Н — никель-цинковый и т.п. В маркировке СВЧ ферритов введе­ны цифровые индексы разновидностей этих материалов.

Р
ис.9.20. Петля гистерезиса феррита с высо­кой магнитной проницаемостью

Ферриты Н и ВЧ. Рассмот­рим основные закономерности в свойствах магнитномягких фер­ритов.

На рис. 9.20 приведена петля гистерезиса феррита с высокой магнитной проницаемостью. Как видно из рисунка, этот феррит имеет максимальную индукцию свыше 0,3 Т. Коэрцитивная сила его невелика — порядка 12 А/м.

Н
а рис. 9.21 и 9.22 представ­лены зависимости магнитной проницаемости и тангенса угла потерь (суммарных — магнитных и диэлектрических) от частоты марганец-цинковых и никель-цинковых ферритов различных марок. Чем больше начальное значение магнитной проницаемо­сти, тем при более низких часто­тах наблюдается ее снижение. Ферриты с большим значением μ_эфф обладают и большим значе­нием tgδ, показывающим более ранний рост с увеличением ча­стоты, т.е. граничная частота их будет ниже.

Рис.9.21. Зависимости μ_эфф (сплошные ли­нии), tgδ (пунктирные линии) мар­ганец-цинковых ферритов от ча­стоты в слабом поле напряженно­стью 0,4 А/м (для сравнения при­ведены аналогичные кривые, ха­рактеризующие пермаллой)

Р
ис. 9.22. Зависимости μ_эфф (сплошные ли­нии), tgδ (пунктирные линии) ни­кель-цинковых ферритов от часто­ты в слабом поле напряженностью 0,4 А/м

Зависимость начальной маг­нитной проницаемости ферритов от температуры приведена на рис. 9. 23. Как видно из пред­ставленных здесь кривых, μ_н по­вышается с ростом температуры до точки Кюри и затем резко падает. При этом, чем выше значе­ние начальной проницаемости, тем ниже будет точка Кюри это­го феррита (в пределах одной и той же системы окислов). В противоположность магни-тодиэлектрикам магнитная про­ницаемость ферритов может су­щественно изменяться под влия­нием подмагничивающего поля Н_

Реверсивная магнитная про­ницаемость μ_р с ростом Н_ уменьшается (рис. 9.24).

Некоторые физические свойства ферритов

Плотность 3—5 Мг/м³

Удельная теплоемкость 700 Дж/(кг·К)

Удельная теплопровод­ность 4 Вт/(м·К)

Температурный коэф­фициент линейного расширения 10^-5 К^-1

Ферриты имеют относительно большую диэлектрическую про­ницаемость, зависящую от часто­ты и состава ферритов. С повы­шением частоты диэлектрическая проницаемость ε ферритов пада­ет. Так, например, никель-цинко­вый феррит с начальной про­ницаемостью μ_н=200 на частоте 1 кГц имеет ε =400, а на частоте 10 МГц его ε =15. Наиболее высо­кое значение ε присуще марганец-цинковым ферритам, у которых она достигает сотен или тысяч.

Реверсивная магнитная прони­цаемость и тангенс угла потерь вы­сокочастотных ферритов показа­ны на рис. 9.25 и 9.26. В допол­нение ко всем рисункам свойства некоторых ферритов, указаны в табл. 9.9.

Таблица 9.9. СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ФЕРРИТОВ